Metalloproteiinit ja metalloentsyymit

Metalloproteiinit käyttävät sitoutuneita metalli-ioneja rakenteeseen, kuljetukseen ja katalyysiin, ja proteiiniympäristö virittää jokaisen metallikeskuksen sen spesifiseen biologiseen rooliin.

Definition

Metalloproteiinit ovat proteiineja, jotka sisältävät yhden tai useamman toiminnalleen välttämättömän metalli-ionin, ja metalloentsyymit ovat katalyyttinen alajoukko, jossa metalli osallistuu suoraan substraattien kemialliseen muuntamiseen.

Scope

Tämä aihe käsittelee metallia sisältävien proteiinien ja entsyymien rakennetta ja toimintaa: miten proteiinit valitsevat ja sitovat metalli-ioneja, yleisten aktiivisten kohtien, kuten sinkki-, rauta- ja kuparikeskusten, geometriaa ja ligandeja, metalloentsyymien katalyyttisiä strategioita (Lewis-happoaktivaatio, redox-sykli, dihappikäsittely) ja periaatetta, että proteiinimatriisi virittää metallin reaktiivisuutta. Se käsittelee yleisesti katalyyttisiä ja rakenteellisia metallikohtia jättäen happea kuljettavat ja elektroninsiirtoproteiinit omille aiheilleen.

Core questions

• Miten proteiinit valitsevat ja sitovat tietyn metalli-ionin?
• Mitkä ligandit ja geometriset rakenteet määrittävät yleiset aktiiviset kohdat?
• Millä strategioilla metalloentsyymit katalysoivat reaktioita?
• Miten proteiiniympäristö virittää metallin reaktiivisuutta?

Key concepts

• Metallin aktiiviset kohdat
• Proteiiniligandit ja koordinaatiogeometria
• Lewis-happokatalyysi
• Redox-aktiiviset metallikeskukset
• Entaattinen tila
• Rakenteelliset versus katalyyttiset metallit

Key theories

Proteiinien vaikutus metallikohtien ominaisuuksiin

Proteiiniligandien identiteetti ja järjestely, vetysidokset ja ympäröivä matriisi virittävät metallikeskuksen geometrian, redox-potentiaalin ja Lewis-happamuuden, joskus pakottaen jännittyneen entaattisen tilan, joka tehostaa reaktiivisuutta.

Metalloentsyymien katalyyttiset strategiat

Metalli-ionit katalysoivat biologisia reaktioita toimimalla Lewis-happoina, jotka polarisoivat substraatteja ja vettä, syklittämällä hapetustilojen välillä välittääkseen redox-kemiaa, ja sitomalla ja aktivoimalla pieniä molekyylejä, kuten dihappea.

Sinkki monipuolisena kofaktorina

Redox-inaktiivinen sinkki toimii vahvana Lewis-happona ja rakenteellisena ristisidoksena suuressa osassa entsyymejä, mikä osoittaa, kuinka yksi metalli voi tukea sekä katalyyttisiä että rakenteellisia toimintoja.

Mechanisms

Katalyysi metalloentsyymin aktiivisessa kohdassa alkaa tyypillisesti substraatin sitoutumisella ja polarisaatiolla metallin Lewis-hapon toimesta tai dihappea koordinoimalla, jota seuraa kemiallinen vaihe – hydrolyysi, hapetus tai ryhmänsiirto – proteiinin asettaessa jäännöksiä stabiloimaan siirtymätilaa.

Clinical relevance

Metalloentsyymit suorittavat olennaisia prosesseja hiilidioksidin hydraatiosta detoksifikaatioon, ja niiden toimintahäiriöt tai estyminen ovat sairauksien taustalla ja ovat lääkesuunnittelun kohteena; tämä on lähdemateriaalia, ei kliinistä ohjeistusta.

History

Tunnustus siitä, että metallit ovat olennainen osa monia entsyymejä, kasvoi 1900-luvun aikana, kun proteiinikristallografia paljasti määritellyt metallikohteet. Valleen tutkimukset sinkkientsyymeistä ja Lippardin, Grayn ja muiden laajempi rakenteellinen työ vakiinnuttivat yleiset periaatteet, joilla proteiinit hyödyntävät metalleja katalyysiin.

Key figures

• Bert Vallee
• Stephen Lippard
• Harry Gray

Seminal works

• lippard1994
• bertini2007
• vallee1990

Frequently asked questions

Miksi biologia käyttää metalleja niin monissa entsyymeissä?

Metalli-ionit tarjoavat kemiaa, jota orgaaniset sivuketjut eivät helposti pysty tarjoamaan, mukaan lukien vahva Lewis-happamuus, helposti saatavilla olevat redox-tilat ja kyky sitoa ja aktivoida pieniä molekyylejä, kuten happea, mikä tekee niistä ihanteellisia kofaktoreita katalyysiin.

Mikä on entaattinen tila?

Entaattinen tila on jännittynyt, energeettisesti valmis koordinaatiogeometria, jonka proteiini pakottaa metallikeskukselle, välitila sen hapettuneiden ja pelkistyneiden muotojen suosimien geometrien välillä, mikä alentaa reaktion kynnystä ja tehostaa reaktiivisuutta.